什么是 SoC 設(shè)計中的系統(tǒng)架構(gòu)師？

您知道系統(tǒng)架構(gòu)師在片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)計中的具體工作嗎？如果您已經(jīng)認識或經(jīng)驗豐富的系統(tǒng)架構(gòu)師，那么可能無需進一步閱讀。但是，如果您是我們眾多正在探索該行業(yè)機會的年輕讀者之一，請繼續(xù)閱讀，看看這是否是您或可能是您。

對系統(tǒng)架構(gòu)師的需求不斷增長，因為領(lǐng)先的數(shù)字 ASIC 設(shè)計每年都變得更加復(fù)雜，并且需要數(shù)十人的團隊在它的所有不同方面工作。根據(jù)先進的芯片設(shè)計公司 Sondrel 的說法，系統(tǒng)架構(gòu)師對于協(xié)調(diào)設(shè)計項目的各個方面都很重要。

Sondrel 的設(shè)計架構(gòu)主管 Paul Martin 將系統(tǒng)架構(gòu)師比作管弦樂隊的指揮。他說：“他或她必須對一個項目所需的所有技能有深刻的理解，并知道它們何時適合項目的順序，就像指揮對管弦樂隊的所有部分在正確的演奏中所做的那樣時間。只有在這種情況下，它才能確保每個項目都符合規(guī)范并按時按預(yù)算進行。我們成功做到這一點的聲譽是每個季度都會引入更多項目，這就是為什么我們在全球所有設(shè)計中心招聘多技能工程師作為系統(tǒng)架構(gòu)師來滿足需求?！?/p>

具有數(shù)十億門的高級節(jié)點芯片設(shè)計的復(fù)雜性需要經(jīng)驗豐富的工程師的大型團隊。正如 Sondrel 首席執(zhí)行官 Graham Curren去年在其工程師招聘活動中解釋的那樣，“例如，我們最近完成了一項 16nm 設(shè)計，需要 100 多人全職工作一年多。這種資源部署通常只能在大型藍籌公司內(nèi)部使用?！?/p>

Curren 提到的 16nm 芯片是當(dāng)時公司為客戶設(shè)計的最大的芯片，一個 500 平方毫米的芯片，擁有超過 300 億個晶體管、4000 萬個觸發(fā)器和 23000 個用于 I/O、電源和接地的焊盤。大約三分之一的芯片平面圖是處理實時圖像處理的客戶 IP 塊。Sondrel 支持圖形處理器單元塊、兩個中央處理器單元、片上高速緩存存儲器、PCI 和 USB 接口以及存儲器控制器到片外存儲器，在一個郵票大小的芯片上使用超過 7 公里的金屬軌道.

一次性設(shè)計出如此復(fù)雜的芯片是不可能的，因為它有 3 億個可布局的邏輯單元，而布局工具一次只能處理 300 萬個，而運行時間不會變得過多。因此，它被劃分為大小可控的功能塊，分布在金字塔結(jié)構(gòu)的四個層次上。

為了達到這一點，在 SoC 開發(fā)周期的早期，產(chǎn)品經(jīng)理、系統(tǒng)架構(gòu)師和相關(guān)的技術(shù)利益相關(guān)者討論并詳細說明產(chǎn)品需求。每個組都傾向于對產(chǎn)品有一個特定的心理模型，通常是產(chǎn)品經(jīng)理專注于最終用途和產(chǎn)品應(yīng)用。同時，系統(tǒng)架構(gòu)師關(guān)注功能和執(zhí)行，以及需求的實現(xiàn)。

這個“需求捕獲階段”識別、制定和記錄所有已知的功能和指標(biāo)，包括清晰完整的提案中的性能需求。此外，該練習(xí)確定了尚未完全理解或以后可能包括在內(nèi)的功能，并試圖確定和計劃完成此類功能的鑒定和量化所需的任務(wù)。

完成后，或在程序開始時盡可能完成時，系統(tǒng)架構(gòu)團隊的需求會經(jīng)歷一個分析階段，其中包含來自設(shè)計和實施團隊的適當(dāng)輸入。這個迭代過程的結(jié)果是一個架構(gòu)設(shè)計規(guī)范，其中包括一個架構(gòu)設(shè)計，其所有功能、功率估計、性能和面積都已確定。

在初始階段包含設(shè)計和實施工作可確保對規(guī)范和體系結(jié)構(gòu)的更高水平的準(zhǔn)確性和驗證，并確定指導(dǎo)設(shè)計選擇所需的敏感性。

架構(gòu)分析包括架構(gòu)探索、IP選擇/規(guī)范、需求驗證和項目執(zhí)行計劃的生成，主要任務(wù)在后期階段詳細闡述。

候選架構(gòu)的架構(gòu)探索是一個主要組成部分。它通過對提案進行建模和評估已知或參考用例來改進架構(gòu)設(shè)計，動態(tài)地允許定義系統(tǒng)拓撲并分配要分配的資源（內(nèi)存、總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)/控制路徑等）。

雖然它允許評估和驗證功能的各個方面（連接性、時序、性能）以確保設(shè)計的正確性，但使用更詳細和準(zhǔn)確的模型的后期階段用于確定和糾正架構(gòu)實施期間的潛在錯誤.

SoC 架構(gòu)探索的初始部分是一種嚴格的方法，用于捕獲 SoC 需要執(zhí)行的一個或多個應(yīng)用程序用例和數(shù)據(jù)流。準(zhǔn)確而完整的用例描述對于與利益相關(guān)者進行溝通并在產(chǎn)品定義階段早期就需求達成一致是必要的。系統(tǒng)架構(gòu)師尋求提取產(chǎn)品需求并表達它們，以便技術(shù)和非技術(shù)利益相關(guān)者能夠跟上產(chǎn)品意圖和架構(gòu)選擇，而無需過多的技術(shù)細節(jié)。

從產(chǎn)品需求到可執(zhí)行架構(gòu)模型的流程。（來源：桑德雷爾）

這個協(xié)作過程有八個步驟：

產(chǎn)品經(jīng)理對潛在的 SoC 解決方案進行市場分析、行業(yè)趨勢和產(chǎn)品需求定義。

產(chǎn)品用例需求通常通過演示文稿、電子表格或文檔傳達給系統(tǒng)架構(gòu)師。

建模流程所需的需求轉(zhuǎn)換為 DSL 格式。

工具生成用例的可執(zhí)行規(guī)范和可視化。

工具還生成用例架構(gòu)探索所需的周期精確的 SystemC 模型。

系統(tǒng)架構(gòu)師檢查探索練習(xí)的結(jié)果，并逐漸收斂到 SoC 的最佳架構(gòu)。

系統(tǒng)架構(gòu)師與產(chǎn)品經(jīng)理交流調(diào)查結(jié)果。

產(chǎn)品經(jīng)理可能決定修改需求或與系統(tǒng)架構(gòu)師合作以進一步完善候選 SoC 架構(gòu)。

為了說明用于系統(tǒng)架構(gòu)探索的 SoC 應(yīng)用用例，Sondrel 發(fā)表了一篇論文，涵蓋了在程序的架構(gòu)階段使用建模。下圖顯示了一個典型的自主視覺用例數(shù)據(jù)流圖，其中節(jié)點代表處理功能，邊代表數(shù)據(jù)流。

示例自主視覺用例數(shù)據(jù)流。（來源：桑德雷爾）

流程中的具體階段是：

幀曝光——相機傳感器拍攝其視野快照的時間間隔。圖像傳感器可以配置為全局快門或滾動快門模式，每種模式都有一個與之相關(guān)的曝光時間。

幀 RX – 成組的圖像像素通過實時接口（例如 MIPI CSI-3）發(fā)送到 SoC 的時間間隔。

圖像調(diào)節(jié)——在實際計算階段之前對接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行的任何圖像預(yù)處理、過濾或匯總步驟。

經(jīng)典計算機視覺——眾所周知的視覺處理算法，例如，相機校準(zhǔn)、運動估計或立體視覺的單應(yīng)運算。

計算成像——視覺算法通過像素云或深度圖估計等自定義處理步驟得到增強

AI 推理——基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像處理，用于語義分割、對象分類等。

數(shù)據(jù)融合——最后階段的傳感器融合和跟蹤。還可能包括格式化或打包處理。

數(shù)據(jù) TX – 可以通過 PCIE 或?qū)崟r接口（例如 MIPI CSI-3）以恒定或可變數(shù)據(jù)速率傳輸。

本文接著定義了兩個仿真結(jié)構(gòu)，應(yīng)用用例模型和硬件平臺模型，然后是一個完整的仿真模型，用例任務(wù)映射到硬件平臺的子系統(tǒng)上。完整的論文“系統(tǒng)架構(gòu)探索的 SoC 應(yīng)用用例捕獲”可從Sondrel獲得。

審核編輯 黃昊宇